Diferenciales de funciones $f:A\subset\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$

Tenemos que $f:A\subset\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ es diferenciable si
$$f(x_{o}+h_{1},y_{0}+h_{2})=f(x_{0},y_{0})+\frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})h_{1}+\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0})h_{2}+r(h_{1},h_{2})$$
cumple
$$\lim_{(h_{1},h_{2})\rightarrow(0,0)}\frac{r(h_{1},h_{2})}{|(h_{1},h_{2})|}=0$$
Esto se puede escribir como
$$f(x_{o}+h_{1},y_{0}+h_{2})-f(x_{0},y_{0})=\frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})h_{1}+\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0})h_{2}+r(h_{1},h_{2})$$

tomando
$$f(x_{o}+h_{1},y_{0}+h_{2})-f(x_{0},y_{0})=\triangle z$$
$$\frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})h_{1}=\frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})\triangle x$$
$$\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0})h_{2}=\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0})\triangle y$$
tenemos que
$$\triangle z=\frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})\triangle x+\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0})\triangle y+r(\triangle x,\triangle y)$$
haciendo $\triangle x,~\triangle y\rightarrow 0$ tenemos
$$dz=\frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})dx+\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0}) dy$$
$\textbf{Definición.}$Si $z=f(x,y)$ es una función diferenciable, la diferencial de f denotada $dz$ se define
$$dz=\frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})dx+\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0}) dy$$

$\textbf{Ejemplo.}$ Calcular la diferencial de $z=4x^{2}-xy$\En este caso
$$dz=\frac{\partial (4x^{2}-xy)}{\partial x}dx+\frac{\partial (4x^{2}-xy)}{\partial y}dy=(8x-y)dx-xdy$$

Ahora bien
$$f(x_{o}+h_{1},y_{0}+h_{2})-f(x_{0},y_{0})=\triangle z\approx \frac{\partial f}{\partial x}(x_{0},y_{0})\triangle x+\frac{\partial f}{\partial y}(x_{0},y_{0})\triangle y$$
expresa el cambio aproximado de $z=f(x,y)$ cuando $(x,y)$ pasa a $(x+\triangle x,y+\triangle y)$

Ejemplo. Aproximar el cambio de $z=4x^{2}-xy$ cuando $(x,y)$ pasa de $(2,1)$ a $(2.1,1.5)$\
En este caso tomamos $x_{0}=2$, $y_{0}=1$, $\triangle x=0.1$ y $\triangle y=.5$ y el valor de cambio será
$$\frac{\partial f}{\partial x}(2,1)\triangle x+\frac{\partial f}{\partial y}(2,1)\triangle y=(15)(0.1)-2(0.5)=1.5$$
mientras que
$$f(2.1,1.5)-f(2,1)=14.49-14=0.49$$
por lo tanto en la aproximacion se cometió un error de $0.01$

Ejemplo. Usando diferenciales se quiere calcular aproximadamente
$$A=\frac{0.97}{\sqrt{15.05}+\sqrt[3]{0.98}}$$

Solución. Considerando la función
$$f(x,y,z)=\frac{x}{\sqrt{y+\sqrt[3]{z}}}$$
con $x=1$, $y=15$, $z=1$, $dx=-0.03$, $dy=0.05$ y $dz=-0.02$ se tiene
$$f(x+dx,y+dy,z+dz)=f(x,y,z)+df(x,y,z)$$
en este caso
$$f(x,y,z)=f(1,15,1)=\frac{1}{4}$$
$$\frac{\partial f}{\partial x}=\frac{1}{\sqrt{y}+\sqrt[3]{z}},~\frac{\partial f}{\partial y}=-\frac{x}{2}\left(y+\sqrt[3]{z}\right)^{\frac{-3}{2}},~\frac{\partial f}{\partial z}=-\frac{x}{2}(y+\sqrt[3]{z})^{\frac{-3}{2}}\frac{1}{3}z^{\frac{-2}{3}}$$
evaluando en $(1,15,1)$ se tiene
$$\frac{\partial f}{\partial x}(1,15,1)=\frac{1}{4},~\frac{\partial f}{\partial y}(1,15,1)=-\frac{1}{128},~\frac{\partial f}{\partial z}(1,15,1)=-\frac{1}{384}$$
de modo que
$$df(1,15,1)=\frac{1}{4}(-0.03)-\frac{1}{128}(0.05)-\frac{1}{384}(-0.02)=-\frac{3.01}{384}$$
por lo que
$$A=\frac{1}{4}-\frac{3.01}{384}=0.242161$$
(el valor es $0.2421726$)

Diferencial de orden 2

Si $\displaystyle{df=\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy}$ entonces una diferencial de orden 2 seria:
$$d^{2}f=d(df)=d\left(\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy\right)=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy\right)dx+\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial f}{\partial x}dx+\frac{\partial f}{\partial y}dy\right)dy$$
$$=\left(\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx+\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dy\right)dx+\left(\frac{\partial^{2} f}{\partial y\partial x}dx+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy\right)dy=\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y\partial x}dydx+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}$$
$$=\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+2\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}$$
Por lo tanto

$$d^{2}f=d(df)=\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+2\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}$$

Ejemplo. Hallar la diferencial de orden 2 para $f(x,y)=e^{x^{2}+y^{y}}$

Solución. En este caso tenemos la fórmula
$$d^{2}f=d(df)=\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+2\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}$$
vamos a calcular las derivadas parciales correspondientes
$$\frac{\partial(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial x}=2xe^{x^{2}+y^{2}}$$
$$\frac{\partial(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial y}=2ye^{x^{2}+y^{2}}$$
$$\frac{\partial^{2}(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial x^{2}}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial x}\right)=\frac{\partial(2xe^{x^{2}+y^{2}})}{\partial x}=4x^{2}e^{x^{2}+y^{2}}+2e^{x^{2}+y^{2}}$$
$$\frac{\partial^{2}(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial y^{2}}=\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial y}\right)=\frac{\partial(2ye^{x^{2}+y^{2}})}{\partial y}=4y^{2}e^{x^{2}+y^{2}}+2e^{x^{2}+y^{2}}$$
$$\frac{\partial^{2}(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial y\partial x}=\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial x}\right)=\frac{\partial (2xe^{x^{2}+y^{2}})}{\partial y}=4xye^{x^{2}+y^{2}}$$
$$\frac{\partial^{2}(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial x\partial y}=\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial(e^{x^{2}+y^{2}})}{\partial y}\right)=\frac{\partial (2ye^{x^{2}+y^{2}})}{\partial x}=4xye^{x^{2}+y^{2}}$$
y la diferencial de orden 2 sería:
$$d^{2}f=\left(4x^{2}e^{x^{2}+y^{2}}+2e^{x^{2}+y^{2}}\right)dx^{2}+8xye^{x^{2}+y^{2}}dxdy+\left(4y^{2}e^{x^{2}+y^{2}}+2e^{x^{2}+y^{2}}\right)dy^{2}$$

Diferencial de orden 3

Si $\displaystyle{d^{2}f=\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+2\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}}$ entonces una diferencial de orden 3 seria:
$$d^{3}f=d(d^{2}f)=d\left(\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+2\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}\right)=$$
$$\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+2\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}\right)dx+\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial^{2} f}{\partial x^{2}}dx^{2}+2\frac{\partial^{2} f}{\partial x\partial y}dxdy+\frac{\partial^{2} f}{\partial y^{2}}dy^{2}\right)dy=$$

$$\left(\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{3}}dx^{2}+2\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{2}\partial y}dxdy+\frac{\partial^{3} f}{\partial x\partial y^{2}}dy^{2}\right)dx+\left(\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{2} \partial y}dx^{2}+2\frac{\partial^{3} f}{\partial x\partial y^{2}}dxdy+\frac{\partial^{3} f}{\partial y^{3}}dy^{2}\right)dy=$$

$$\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{3}}dx^{3}+2\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{2}\partial y}dx^{2}dy+\frac{\partial^{3} f}{\partial x\partial y^{2}}dxdy^{2}+\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{2} \partial y}dydx^{2}+2\frac{\partial^{3} f}{\partial x\partial y^{2}}dxdy^{2}+\frac{\partial^{3} f}{\partial y^{3}}dy^{3}=$$

$$\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{3}}dx^{3}+3\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{2}\partial y}dx^{2}dy+3\frac{\partial^{3} f}{\partial x\partial y^{2}}dxdy^{2}+\frac{\partial^{3} f}{\partial y^{3}}dy^{3}$$
Por lo tanto
$$d^{3}f=d(d^{2}f)=\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{3}}dx^{3}+3\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{2}\partial y}dx^{2}dy+3\frac{\partial^{3} f}{\partial x\partial y^{2}}dxdy^{2}+\frac{\partial^{3} f}{\partial y^{3}}dy^{3}$$

Diferencial de orden 3

Si $\displaystyle{d^{3}f=\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{3}}dx^{3}+3\frac{\partial^{3} f}{\partial x^{2}\partial y}dx^{2}dy+3\frac{\partial^{3} f}{\partial x\partial y^{2}}dxdy^{2}+\frac{\partial^{3} f}{\partial y^{3}}dy^{3}}$ entonces una diferencial de orden 4 seria:
$$d^{4}f=d(d^{3}f)=\frac{\partial^{4} f}{\partial x^{4}}dx^{4}+4\frac{\partial^{4} f}{\partial x^{3}\partial y}dx^{3}dy+6\frac{\partial^{4} f}{\partial x^{2}\partial y^{2}}dx^{2}dy^{2}+4\frac{\partial^{4} f}{\partial x\partial y^{3}}dxdy^{3}+\frac{\partial^{4} f}{\partial y^{4}}dy^{4}$$

Diferencial de orden n

$$d^{n}f=\frac{\partial^{n} f}{\partial x^{n}}dx^{n}+\left(\begin{matrix}n\\1\end{matrix}\right)\frac{\partial^{n-1} f}{\partial x^{n-1}\partial y}dx^{n-1}dy+\left(\begin{matrix}n\\2\end{matrix}\right)\frac{\partial^{n-2} f}{\partial x^{n-2}\partial y^{2}}dx^{n-2}dy^{2}+\cdots+\left(\begin{matrix}n\\k\end{matrix}\right)\frac{\partial^{n-k} f}{\partial x^{n-k}\partial y^{k}}dx^{n-k}dy^{k}+\cdots+\frac{\partial^{n}f}{\partial y^{n}}dy^{n}$$

que se puede escribir
$$d^{n}f=\sum_{j=0}^{n}\left(\begin{matrix}n\\j\end{matrix}\right)\frac{\partial^{n}f}{\partial x^{n-j}\partial y^{j}}dx^{n-j}dy^{j}$$

Funciones de $\mathbb{R}^{n}$ en $\mathbb{R}$

Definición 1 . Una función $f:A\subset\mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es una función $f(x_{1},x_{2},…,x_{n})$ que asocia a cada n-ada ordenada $(x_{1},x_{2},…,x_{n})$ de $\mathbb{R}^{n}$ un número real $f(x_{1},x_{2},…,x_{n})$

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ asocia a dada pareja $(x,y)\in \mathbb{R}^{^{2}}$ el número real $x^{2}+y^{2}$.

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$ asocia a dada terna $(x,y,z)\in \mathbb{R}^{^{3}}$ el número real $\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$

Definición 2. El dominio de una función $f:A\subset \mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es el conjunto
$$Dom_{f}\left\{(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}^{n}~|~f(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}\right\}$$

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$ asocia a dada terna $(x,y,z)\in \mathbb{R}^{^{3}}$ el número real $\sqrt{1-x^{2}-y^{2}-z^{2}}$ tiene como dominio el conjunto

$$Dom_{f}=\left\{(x,y,z)\in\mathbb{R}^{3}~|~1-x^{2}-y^{2}-z^{2}\geq0 \right\}=\left\{(x,y,z)\in\mathbb{R}^{3}~|~1\geq x^{2}+y^{2}+z^{2}\right\}$$

Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ asocia a dada pareja $(x,y)\in \mathbb{R}^{^{2}}$ el número real $x^{2}+y^{2}$ en este caso el dominio es $\mathbb{R}^{2}$

Definición 3.$ El rango de una función $f:A\subset\mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es el conjunto
$$Ran_{f}= \left\{f(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}~|~(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}^{n} \right\}$$

Ejemplo. La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=\sqrt{1-x^{2}-y^{2}}$ asocia a dada pareja $(x,y)\in \mathbb{R}^{^{2}}$ el número real $\sqrt{1-x^{2}-y^{2}}$ en este caso el rango de la función es el conjunto
$$\left\{z\in\mathbb{R}~|~0\leq z\leq1 \right\}$$

Definición 4. La gráfica de una función $f:A\subset\mathbb{R}^{n}\rightarrow \mathbb{R}$ es el conjunto
$$Gra_{f}=\left\{(x_{1},x_{2},…,x_{n},f(x_{1},x_{2},…,x_{n}))\in\mathbb{R}^{n+1}~|~(x_{1},x_{2},…,x_{n})\in\mathbb{R}^{n}\right\}$$

Ejemplo. La gráfica de la función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ es un paraboloide cuyo aspecto es

Ejemplo. La gráfica de la función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow\mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}-y^{2}$ es un paraboloide hiperbolico (silla de montar) cuyo aspecto es

Conjuntos de Nivel

Definición 5. Sea $f:\mathbb{R}^{n}\rightarrow\mathbb{R}$ y sea $c\in\mathbb{R}$. El conjunto de nivel del valor c se define como:
$$C_{N}=\left\{x\in\mathbb{R}^{n}~|~f(x)=c\right\}$$

Ejemplo. Describir el conjunto de nivel de la función $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$

$Solución$ En este caso el conjnuto de nivel es$$C_{N}=\left\{(x,y)\in\mathbb{R}^{2}~|~x^{2}+y^{2}=c\right\}$$
geometricamente son circunferencias con centro el origen y radio $c$.

Ejemplo. Describir el conjunto de nivel de la función $f(x,y)=x^{2}-y^{2}$

Solución En este caso el conjnuto de nivel es$$C_{N}={(x,y)\in\mathbb{R}^{2}~|~x^{2}-y^{2}=c}$$
geometricamente son circunferencias con centro el origen y radio c

Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}+y^{2}$ tiene como gráfica el paraboloide de revolución $z=x^{2}+y^{2}$

Las curvas de nivel son: el vacio para $a<0$, y para $a>0$ es el conjunto $$\left\{(x,y)\in \mathbb{R}^{2}|x^{2}+y^{2}=a\right\}$$, es decir un círculo de radio $\sqrt{a}$ con centro en el origen

Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{2}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y)=x^{2}-y^{2}$ tiene como gráfica el paraboloide hiperbolico $z=x^{2}-y^{2}$

Las curvas de nivel son: para $a=0\Rightarrow x^2-y^2=0$ par de rectas que se cortan en el origen, y para $a=1\Rightarrow x^2-y^2 =1$ es una hiperbola paralela al eje X que lo corta en $(\pm 1,0)$, para $a=-1\Rightarrow x^2-y^2=-1$ es una hiperbola paralela al eje Y y que lo corta en $(0,\pm 1)$

Ejemplo La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=\sqrt{x^{2}+y^{2}+z^2}$ tiene el siguiente conjunto de nivel
$${(x,y,z)\in \mathbb{R}^{3}|\sqrt{x^2+y^2+z^2}=a}$$

Las superficies de nivel son: para $a=0\Rightarrow \sqrt{x^2+y^2+z^2}=0$ el origen, y para $a=1\Rightarrow \sqrt{x^2+y^2+z^2}=1$ es una esfera, $a=2\Rightarrow \sqrt{x^2+y^2+z^2}=2$ es una esfera

La función $f:\mathbb{R}^{3}\rightarrow \mathbb{R}$ dada por $f(x,y,z)=x^{2}-y^{2}+z^2$ tiene el siguiente conjunto de nivel
$$\left\{(x,y,z)\in \mathbb{R}^{3}|x^2-y^2+z^2=a\right\}$$

Las superficies de nivel son: para $a=0\Rightarrow x^2-y^2+z^2=1$ es un hiperboloide de un manto, y para $a=1\Rightarrow x^2-y^2+z^2=1$ es un hiperboloide de un manto, $a=2\Rightarrow \sqrt{x^2-y^2+z^2}=2$ es un hiperboloide de un manto

Límite de Funciones de $\mathbb{R}^{n} \rightarrow \mathbb{R}$

Sea $f:\Omega\subset\mathbb{R}^{n} \rightarrow \mathbb{R}$, y sea $x_{0}$ un punto de acumulación de $\Omega$. Se dice que $L\in\mathbb{R}$ es el límite de $f$ en
$x_{0}$, y se denota por: $$\displaystyle\lim_{x\rightarrow x_{0}}f(x)=L$$ Si dado $\varepsilon > 0$, existe $\delta > 0$ tal que $|f(x)-b|<\varepsilon$ cuando $x \in \Omega$, $0<|x-x_{0}|<\delta$

Observación: Es necesarío que $x_{0}$ sea punto de acumulacion de $\Omega$.Usando la definición de límite, demostrar que:
$$\displaystyle\lim_{(x,y) \rightarrow (0,0)}\frac{x^{4}y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}=0$$
Por demostrar, para todo $\varepsilon > 0$ existe $\delta > 0$ tal que $0 < |(x,y) – (0,0)| < \delta$ entonces $\displaystyle\left| \frac{x^{4}y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}} \right| < \varepsilon$ como $x^{2} \leq x^{2}+y^{2}$ entonces $x^{4} \leq (x^{2}+y^{2})^{2}$ entonces $\displaystyle\frac{1}{(x^{2}+y^{2})^{2}} \underset{(*)}{\leq} \displaystyle\frac{1}{x^{4}}$

$\therefore$ $\displaystyle\left|\frac{x^{4}y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}\right| \underset{(*)}{\leq}
\displaystyle\left|\frac{x^{4}y^{2}}{x^{4}}\right| \leq |y^{2}|=y^{2}\leq (\sqrt{x^{2}+y^{2}})^{2} <
\delta^{2}$

$\therefore$ Si $\delta^{2}=\varepsilon$ entonces $\delta=\sqrt{\varepsilon}$

Más adelante

Tarea Moral

Enlaces

Introducción

Definición.Una sucesión en $\mathbb{R}^{n}$ es cualquier lista infinita de vectores en $\mathbb{R}^{n}$ $\overline{x_{1}},\overline{x_{2}},…,\overline{x_{k}},…$ algunos de los cuales o todos ellos pueden coincidir entre si. Dada una sucesión $\overline{x_{1}},\overline{x_{2}},…,\overline{x_{k}},…$ se define de manera natural una función de los enteros positivos $\mathbb{N}$ en $\mathbb{R}^{n}$ tal que a cada entero positivo $k$ se le asigna un vector $\overline{x_{k}}\in \mathbb{R}^{n}$
A la colección ordenada de los elementos de una sucesión la denotaremos

$$\left\{ \overline{x}_{k}\right\} _{k=1}^{\infty },\left\{\overline{x}_{k}\right\}$$

Ejemplo. Considerando el espacio $\mathbb{R}^{2}$ sea la sucesión $\left\{\overline{x_{k}}\right\}_{k=1}^{\infty}$ dada por $\overline{x_{k}}=\left(k,\frac{1}{k}\right)$ cuyos elementos podemos listar como sigue:

$$\left\{(1,1),\left(2,\frac{1}{2}\right),\left(3,\frac{1}{3}\right),…\right\}$$

Considerando la sucesión $\left\{\overline{x_{k}}\right\}\in \mathbb{R}^{n}$. Cada vector $\overline{x_{k}}\in \left\{\overline{x_{k}}\right\}$ esta dado de la siguiente manera:

$$\overline{x_{k}}=\left(x_{1,k},x_{2,k},…,x_{n,k}\right)$$

Es decir, dicho vector define de manera natural $n$ sucesiones $\left\{\overline{x}\right\}$ en $\mathbb{R}$ , las cuales, llamaremos sucesiones componentes o sucesiones proyección, así, la primera sucesión componente del ejemplo anterior es: $\left\{x_{1,k}\right\}=k$ y la segunda sucesión proyección del ejemplo anterior es $\left\{x_{2,k}\right\}=\frac{1}{k}$

Ejemplo. Sea la sucesión $\left\{\overline{x_{k}}\right\}_{k=1}^{\infty}$ dada por $\overline{x_{k}}=\left(\frac{k+1}{k+2},\frac{1}{2^{k}}\right)$ cuyas sucesiones componentes son:

$$\overline{x_{1_{k}}}=\left(\frac{k+1}{k+2}\right)\quad \overline{x_{2_{k}}}=\left(\frac{1}{2^{k}}\right)$$

Ejemplo. Sea la sucesión $\left\{\overline{x_{k}}\right\}_{1}^{\infty}$ dada por $\overline{x_{k}}=\left(\left(1+\frac{1}{k}\right)^{k},\sqrt[k]{k},\sqrt[k]{\frac{1}{k}}\right)$ cuyas sucesiones componentes son:

$$\overline{x_{1_{k}}}=\left(1+\frac{1}{k}\right)^{k}\quad \overline{x_{2_{k}}}=\sqrt[k]{k}\quad \overline{x_{3_{k}}}=\sqrt[k]{\frac{1}{k}}$$

Convergencia de Sucesiones en $\mathbb{R}^{n}$}}$

Definición. Una sucesión $\left\{\overline{x_{k}}\right\}_{k=1}^{\infty}$ en $\mathbb{R}^{n}$ se dice que converge a un vector $\overline{x}$ en $\mathbb{R}^{n}$ si $$\forall\quad \epsilon>0\quad \exists\quad N_{0}\in\mathbb{N}\quad tal\quad que \quad |\overline{x_{k}}-\overline{x}|<\epsilon\quad \forall k>N_{0}$$
En este caso diremos que la sucesión es convergente y que $\overline{x}$ es el limite de la sucesión y escribimos $$\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{k}}=\overline{x}$$

Proposición. Unicidad del Limite: Consideremos una sucesión $\left\{\overline{x_{k}}\right\}_{k=1}^{\infty}$ en $\mathbb{R}^{n}$ y sean $\overline{x},\overline{y}\in \mathbb{R}^{n}$ tal que $$\overline{x}=\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{k}}\quad y \quad \overline{y}=\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{k}}$$ entonces $\overline{x}=\overline{y}$

Demostración. Supongamos que $\overline{x}\neq\overline{y}$ y tomemos $\epsilon=\frac{1}{2}|\overline{x}-\overline{y}|>0$.Por definición $\overline{x}=\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{k}}$ por lo que $\exists N_{0_{x}} \in \mathbb{N}$ tal que $|\overline{x_{k}}-\overline{x}|<\epsilon$ para $k>N_{0_{x}}$ y analogamente se tiene que $\overline{y}=\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{k}}$ por lo que $\exists N_{0_{y}} \in \mathbb{N}$ tal que $|\overline{x_{k}}-\overline{y}|<\epsilon$ para $k>N_{0_{y}}$. Sea ahora $N_{0}=m\acute{a}x\left\{N_{0_{x}},N_{0_{y}}\right\}$ entonces se cumple simultaneamente que $|\overline{x_{k}}-\overline{x}|<\epsilon$ y $|\overline{x_{k}}-\overline{y}|<\epsilon$ para $k>N_{0}$ $\therefore$ $$|\overline{x}-\overline{y}|=|\overline{x}-\overline{x_{k}}+\overline{x_{k}}-\overline{y}|\leq |\overline{x}-\overline{x_{k}}|+|\overline{x_{k}}-\overline{y}|<2\epsilon=2\left(\frac{1}{2}|\overline{x}-\overline{y}|\right)=|\overline{x}-\overline{y}|(falso)$$ $\square$

Proposición. Sea $\left\{\overline{x_{k}}\right\}_{k=1}^{\infty}$ una sucesión en $\mathbb{R}^{n}$ y sean $${\overline{x_{1_{k}}}}_{1}^{\infty}=(x_{1_{1}},x_{1_{2}},…)$$ $${\overline{x_{2_{k}}}}_{1}^{\infty}=(x_{2_{1}},x_{2_{2}},…)$$ $$\vdots$$ $${\overline{x_{n_{k}}}}_{1}^{\infty}=(x_{n_{1}},x_{n_{2}},…)$$ las sucesiones componentes de la sucesión ${\overline{x_{k}}}_{1}^{\infty}$. Entonces la sucesión ${\overline{x_{k}}}_{1}^{\infty}$ converge a $\overline{x}=(x_{1},x_{2},…)$ en $\mathbb{R}^{n}$ si y solo si para cada $j=1,2,…$ se tiene que $x_{n_{j}}$ converge a $x_{j}$.

Demostración. Supóngase que la sucesión $\left\{\overline{x_{k}}\right\}_{k=1}^{\infty}$ converge a $\overline{x}=(x_{1},x_{2},…)$ esto quiere decir que $\exists N_{0}\in \mathbb{N}$ tal que $|\overline{x_{k}}-\overline{x}|<\epsilon$ para $k>N_{0}$ y dado que $$0\leq|x_{j_{k}}-x_{j}|\leq|\overline{x_{k}}-\overline{x}|<\epsilon$$ entonces se tiene que $$0\leq|x_{j_{k}}-x_{j}|<\epsilon$$ lo que significa que $$\lim_{k\rightarrow\infty}x_{j_{k}}=x_{j}$$
Reciprocamente, supongamos que para cada j $$\lim_{k\rightarrow\infty}x_{j_{k}}=x_{j}$$ lo que significa que
$$|x_{j_{k}}-x_{j}|<\frac{\epsilon}{n}$$
$$\therefore\quad 0\leq|\overline{x_{k}}-\overline{x}|\leq |x_{1_{k}}-x_{1}|+|x_{2_{k}}-x_{2}|+…+|x_{n_{k}}-x_{n}|<\frac{\epsilon}{n}+\frac{\epsilon}{n}+…+\frac{\epsilon}{n}=\epsilon$$
$$\therefore \quad \lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{j_{k}}}=\overline{x}$$

$\square$

Ejemplo. Consideremos la sucesión $\overline{x_{k}}=\left(\frac{1}{k},\frac{k}{k+1}\right)$ tenemos que $$\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{1_{k}}}=\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{1}{k}=0$$ $$\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{2_{k}}}=\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{k}{k+1}= \lim_{k\rightarrow\infty}\frac{\frac{k}{k}}{\frac{k}{k}+\frac{1}{k}}=\lim_{k\rightarrow\infty}\frac{1}{1+\frac{1}{k}}=1$$
$\therefore$ $\lim_{k\rightarrow\infty}\overline{x_{k}}=(0,1)=\overline{x}$

Ahora para comprobarlo tenemos que $$\left\|\overline{x_{k}}-\overline{x}\right\|=\left\|\left(\frac{1}{k},\frac{k}{k+1}\right)-(0,1)\right\|=\sqrt{\frac{1}{k^{2}}+\left(\frac{k}{k+1}-1\right)^{2}}=\sqrt{\frac{1}{k^{2}}+\frac{1}{(k+1)^{2}}}<\sqrt{\frac{2}{k^{2}}}=\frac{\sqrt{2}}{k}$$ $$\therefore\quad \frac{\sqrt{2}}{k}<\epsilon\Leftrightarrow \frac{\sqrt{2}}{\epsilon}N_{0}\therefore \quad \left|\left(\frac{1}{k},\frac{k}{k+1}\right)-(0,1)\right|<\epsilon$$

Definición. Deciimos que $A\subset \mathbb{R}^{n}$ es un conjunto acotado si y solo si $\exists M>0$ tal que $\forall \overline{a}\in A$ se cumple $|\overline{a}|\leq M$

Proposición. Sea $\left\{\overline{x}_{k}\right\}\subset \mathbb{R}^{n}$, si $\left\{\overline{x}_{k}\right\}$ converge, entonces $\left\{\overline{x}_{k}\right\}$ es acotada.

Si $\left\{\overline{x}_{k}\right\}$ converge entonces $\lim_{k\rightarrow \infty}\overline{x}_{k}=\overline{x}\Rightarrow \lim_{k\rightarrow \infty}x_{k,j}=x_{j} \forall j=1,…,n$ por lo tanto se tiene que $\left\{x_{k,j}\right\}$ es acotada y por tanto $\exists M_{j}>0$ tal que $|x_{k,j}|\leq M_{j}$ $\forall k$ $\therefore$ se tiene que $$\left\|\overline{x_{k}}\right\|\leq|x_{1,k}|+|x_{2,k}|+\cdot\cdot\cdot+|x_{n,k}|\leq n\cdot \max\left\{x_{k,j}\right\}=n \cdot M_{j}=M$$ $\therefore \left\{\overline{x}_{k}\right\}$ es acotada. $\square$

Teorema. Un subconjunto $A\subset \mathbb{R}^{n}$ es cerrado si y solo si contiene a todos sus puntos de acumulación.

Demostración. ( $\Rightarrow$ ) Suponemos que A es cerrado. Sea $\overline{x}$ un punto de acumulación de A y suponemos que $\overline{x}\notin A$. Como $A^{c}$ es abierto y $\overline{x}\in A^{c}$ existe $r>0$ tal que $B(\overline{x},r)\subset A^{c}$ $\therefore$ $B(\overline{x},r)\cap A=\emptyset$ $\nabla$ pues $\overline{x}$ es punto de acumulaión de A.

( $\Leftarrow$ ) Supongamos que A contiene a todos sus puntos de acumulación. Sea $U=A^{c}$ queremos probar que $U$ es abierto. Sea $\overline{x}\in U$ como $\overline{x}$ no es de acumulación $\exists r>0$ tal que $B(\overline{x},r)\cap A=\emptyset$ $\therefore$ $B(\overline{x},r)\subset A^{c}$ $\therefore$ $A^{c}$ es abierto. $\square$

Teorema. Sea $A\subset \mathbb{R}^{n}$ y $\overline{x}\in \mathbb{R}^{n}$. Entonces, $\overline{x}$ es un punto de acumulación de $A$ si y solo si $\exists\left\{\overline{x}_{k}\right\}\in A$ con $\overline{x_{k}}\neq \overline{x}$ $\forall k$ tal que $\overline{x}_{k}\rightarrow \overline{x}$$

Demostración. Suponemos que $\overline{x}$ es punto de acumulación de $A$ entonces para cada $k \in \mathbb{N}$ $\exists$ $\overline{x_{k}}\in A\cap B(\overline{x},\frac{1}{k})$ con $\overline{x_{k}}\neq \overline{x}$ $\therefore$ $\overline{x_{k}}\rightarrow \overline{x}$
$\textcolor{Red}{\Leftarrow}$ Sea $B(\overline{x},r)$ como $\overline{x_{k}}\rightarrow \overline{x}$ $\exists k_{0}\in\mathbb{N}$ tal que $\overline{x_{k}}\in B(\overline{x},r)$ $\forall k>k_{0}$ $\therefore$ $\exists$ $\overline{x_{k}}\in A\cap B(\overline{x},r)$ $\therefore$ $\overline{x}$ es punto de acumulación. $\square$

Criterio de Convergencia de Cauchy

Definición. Sea ${\overline{x_{k}}}$ una sucesión de puntos de $\mathbb{R}^{n}$. Se dice que ${\overline{x_{k}}}$ es una sucesión de Cauchy si dado $\epsilon>0$ $\exists N_{0}\in \mathbb{N}$ tal que $|\overline{x_{k}}-\overline{x_{l}}|<\epsilon$ $\forall k,l\geq N_{0}$

Teorema. Una sucesión $\overline{x_{k}}\in \mathbb{R}^{n}$ es convergente si y solo si cumple el criterio de Cauchy

Demostración. $\Rightarrow$ Suponemos que ${\overline{x_{k}}}\rightarrow \overline{x}$ $\therefore$ $|\overline{x_{k}}-\overline{x}|<\epsilon$ $\forall k>N_{0}$. Se tiene entonces que $$|\overline{x_{k}}-\overline{x_{l}}|=|\overline{x_{k}}-\overline{x}+\overline{x}-\overline{x_{l}}|\leq |\overline{x_{k}}-\overline{x}|+|\overline{x}-\overline{x_{l}}|<\frac{\epsilon}{2}+\frac{\epsilon}{2}=\epsilon$$ $\forall k,l>N_{0}$ $\therefore$ $\left\{\overline{x_{k}}\right\}$ es convergente. $\square$

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